利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法技术

本发明专利技术公开一种利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，包括如下步骤：(1)星象提取；(2)不同视场的分离；(4)指向计算；(5)地球定向参数计算，包括地球自转轴指向、极移和UT1计算。本发明专利技术通过一台三视场单焦面的光学望远镜的照相观测，同时获取三个不同视场的恒星图像；在完成不同视场星象区分之后，解算各个视场在惯性空间中的指向，通过连续多帧图像，拟合得到观测时段内瞬时天极的方向，瞬时天极反映了岁差章动；根据不同视场指向之间的经度和纬度的变化，获取极移信息；基于等高观测原理，计算望远镜天顶方向，即赤经和赤纬，赤经为地方恒星时，由此获取世界时UT1信息。

【技术实现步骤摘要】
利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法
本专利技术属于天文光学照相天体测量
，涉及一种天文观测数据处理的方法。
技术介绍
地球定向参数(岁差章动、极移、世界时UT1)用于描述地球在惯性空间中的不规则变化，是空间科学与地球科学的重要参数。以往经典仪器(如，等高仪、天顶筒、子午环、中星仪)需要大范围组网部署，并且每台仪器一次只能观测一个视场或一颗恒星，最终只能提供多天时间分辨率的平均结果。利用一台三视场单焦面的光学望远镜，可以实现一种瞬时测定地球定向参数的方法。为了实现“多视场同时观测”和“角距固定”这两个条件，该观测设备在传统光学望远镜前端安装一个多面反射镜，该反射镜由整块玻璃切割加工而成，一方面保证了夹角的稳固性，另一方面使得多个不同方向的恒星光线经过反射后进入一个望远镜镜筒，并最终同时成像于一个焦面探测器终端上。不同于常规的天文观测图像，此情况下一幅观测图像中同时混合了多个视场的星象，需要采用特殊的图像处理方法，得到每个视场的指向坐标，进而解算地球自转轴的指向、极移和世界时UT1等参数。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，解决了现有数据处理技术中只能处理单视场观测图像，以及无法通过单台设备观测数据测定地球定向参数的问题。技术方案：本专利技术三视场单焦面光学望远镜是在光学望远镜前安装一个具有三个反射面的反射镜，三个反射面两两之间的夹角为135度，光学望远镜的单个镜筒接收来自三个不同天区恒星的光线，并成像于同一个焦面探测器上，最终同时获取三个不同视场的恒星图像，所述利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，是通过对三个不同视场的恒星图像进行数据处理，用来测定地球定向参数，具体包括如下步骤：(1)星象提取；利用图像处理技术处理获取的三个不同视场的恒星图像，从恒星图像中提取星象；(2)不同视场的分离；对于多视场望远镜观测图像中不同天区恒星星象的分离，采用相邻帧观测图像关联的方法，利用目标的运动规律,通过“速度”建立本天区恒星星象的关联，满足速度关联条件的恒星星象确定其所在天区，从而将步骤(1)提取的星象分离为三个视场的星象；(3)恒星匹配；分别为三个视场的星象进行恒星匹配，确定三个视场的对应的区域；(4)指向计算；根据匹配好的三个视场，分别计算三个视场的指向；(5)地球定向参数计算；包括地球自转轴指向、极移和UT1计算。本专利技术进一步优选地技术方案为，步骤(1)中星象提取的具体步骤为：步骤1.1)通过全局阈值法将恒星图像中的星点目标与星图背景进行分割；步骤1.2)通过特征融合的方法突显星点像素，所用的特征为局部灰度最大值与局部对比度均值反差；步骤1.3)提取星点目标所有像素，获得星象。作为优选地，步骤(2)中不同视场的分离的具体步骤为：步骤2.1)在第k帧图像的视场中央附近，选取一颗亮星，其量度坐标为(x0,y0)k；步骤2.2)在第k+1帧图像视场中央的一定范围内，该范围值根据恒星星象在相邻帧图像之间的最大和最小运动距离来设定，存在n颗星象，它们的量度坐标为(xi,yi)k+1,i＝1,n；步骤2.3)当i＝1时，令xi＝x0,yi＝y0，得到Δx＝xi-x0,Δy＝yi-y0，对第k+1帧图像上所有的星象，执行(x′＝x-Δx,y′＝y-Δy)k+1；然后与第k帧图像上所有的星象的量度坐标(x,y)k逐一进行比较，对于差值小于阈值的建立恒星关联点对，当关联点对数超过预定数量时，认为一个天区筛选成功并分离；否则i＝i+1，重复上述过程，直至一个天区筛选分离完成；步骤2.4)当分离一个天区的星象后，在第k帧图像的视场中央附近，在剩余星象中选取一颗亮星，重复步骤2.1)～步骤2.3)；直至其它天区的星象全部筛选分离完成。作为优选地，步骤(5)中瞬时自转轴的解算方法为：随着地球的自转，在一定观测时段内，每个视场方向的瞬时光轴指向在一个平面上，该平面法向量即为该时段内平均的瞬时天极方向，利用解算平面方程的方法，计算瞬时自转轴的指向；观测方程为其中(x,y,z)为瞬时光轴在国际天球参考系[GCRS]中的指向，解算结果为3个平面共同的法向量(A,B,1)，它对应一定时段内的瞬时自转轴在[GCRS]中的方向。优选地，步骤(5)中极移的解算方法为：在得到一定时段内的瞬时天极方向之后，计算出3个方向的瞬时光轴对应的纬度和经度差，指定某一观测历元为参考历元，设1号镜光轴指向的纬度为经度λ10为0，作为经度起算点；同时，确定2号镜光轴指向在该历元的坐标λ20和确定3号镜光轴指向在该历元的坐标λ30和对于其它观测历元t，极移引起1号镜光轴指向变化为当λ10＝0时，代入上式得极移引起2号镜和3号镜的光轴指向变化为得到其中，镜子光轴指向的经度差λ2(t)-λ1(t)和λ3(t)-λ1(t)，利用指向间的“固定角距”，通过观测计算得到：对于三个方向的观测，解算极移的观测方程为：其中，优选地，步骤(5)中世界时UT1的解算方法是三视场望远镜通过增加等高观测方式，获得某一UTC时刻对应的地方恒星时S，进而获得UT1。优选地，世界时UT1的解算方法的具体步骤为：a、以120°步长旋转望远镜镜筒，以第1个反射面为例，依次得到ti＝1,2,3瞬间该反射面对应光轴在瞬时赤道坐标系中的指向；b、根据δ1i和ti，按照恒星周日运动角速度，修正α1i，将该光轴在不同时刻的观测均换算至t1时刻对应的赤经α′1i，即α′11＝α11α′12＝α12+k·cosδ12·(t1-t2)α′13＝α13+k·cosδ13·(t1-t3)同理，对于第2个和第3个反射面，也有α′21＝α21α′22＝α22+k·cosδ22·(t1-t2)α′23＝α23+k·cosδ23·(t1-t3)α′31＝α31α′32＝α32+k·cosδ32·(t1-t2)α′33＝α33+k·cosδ33·(t1-t3)c、(α′1i,δ1i)、(α′1i,δ1i)和(α′1i,δ1i)分别分布于3个平行的平面上，理想情况下，该平面的法向量对应天顶，因此，建立观测方程为其中解算结果(A,B,1)为三个平面共同的法向量，它为天顶在t1时刻的赤道坐标，其中赤经为t1对应的地方恒星时S；d、根据台站瞬时经度λ、观测时刻的赤经章动和地方恒星时S，得到格林尼治视恒星时根据计算得到UT1。有益效果：本专利技术通过一台三视场单焦面的光学望远镜的照相观测，同时获取三个不同视场的恒星图像；在完成不同视场星象区分之后，解算各个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，其特征在于，在光学望远镜前安装一个具有三个反射面的反射镜，三个反射面两两之间的夹角为135度，光学望远镜的单个镜筒接收来自三个不同天区恒星的光线，并成像于同一个焦面探测器上，最终同时获取三个不同视场的恒星图像，通过对三个不同视场的恒星图像进行数据处理，用来测定地球定向参数，具体包括如下步骤：/n(1)星象提取；利用图像处理技术处理获取的三个不同视场的恒星图像，从恒星图像中提取星象；/n(2)不同视场的分离；对于多视场望远镜观测图像中不同天区恒星星象的分离，采用相邻帧观测图像关联的方法，利用目标的运动规律,通过“速度”建立本天区恒星星象的关联，满足速度关联条件的恒星星象确定其所在天区，从而将步骤(1)提取的星象分离为三个视场的星象；/n(3)恒星匹配；分别为三个视场的星象进行恒星匹配，确定三个视场的对应的区域；/n(4)指向计算；根据匹配好的三个视场，分别计算三个视场的指向；/n(5)地球定向参数计算；包括地球自转轴指向、极移和UT1计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，其特征在于，在光学望远镜前安装一个具有三个反射面的反射镜，三个反射面两两之间的夹角为135度，光学望远镜的单个镜筒接收来自三个不同天区恒星的光线，并成像于同一个焦面探测器上，最终同时获取三个不同视场的恒星图像，通过对三个不同视场的恒星图像进行数据处理，用来测定地球定向参数，具体包括如下步骤：
(1)星象提取；利用图像处理技术处理获取的三个不同视场的恒星图像，从恒星图像中提取星象；
(2)不同视场的分离；对于多视场望远镜观测图像中不同天区恒星星象的分离，采用相邻帧观测图像关联的方法，利用目标的运动规律,通过“速度”建立本天区恒星星象的关联，满足速度关联条件的恒星星象确定其所在天区，从而将步骤(1)提取的星象分离为三个视场的星象；
(3)恒星匹配；分别为三个视场的星象进行恒星匹配，确定三个视场的对应的区域；
(4)指向计算；根据匹配好的三个视场，分别计算三个视场的指向；
(5)地球定向参数计算；包括地球自转轴指向、极移和UT1计算。


2.根据权利要求1所述的利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，其特征在于，步骤(1)中星象提取的具体步骤为：
步骤1.1)通过全局阈值法将恒星图像中的星点目标与星图背景进行分割；
步骤1.2)通过特征融合的方法突显星点像素，所用的特征为局部灰度最大值与局部对比度均值反差；
步骤1.3)提取星点目标所有像素，获得星象。


3.根据权利要求1所述的利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，其特征在于，步骤(2)中不同视场的分离的具体步骤为：
步骤2.1)在第k帧图像的视场中央附近，选取一颗亮星，其量度坐标为(x0,y0)k；
步骤2.2)在第k+1帧图像视场中央的一定范围内，该范围值根据恒星星象在相邻帧图像之间的最大和最小运动距离来设定，存在n颗星象，它们的量度坐标为(xi,yi)k+1,i＝1,n；
步骤2.3)当i＝1时，令xi＝x0,yi＝y0，得到Δx＝xi-x0,Δy＝yi-y0，对第k+1帧图像上所有的星象，执行(x′＝x-Δx,y′＝y-Δy)k+1；然后与第k帧图像上所有的星象的量度坐标(x,y)k逐一进行比较，对于差值小于阈值的建立恒星关联点对，当关联点对数超过预定数量时，认为一个天区筛选成功并分离；否则i＝i+1，重复上述过程，直至一个天区筛选分离完成；
步骤2.4)当分离一个天区的星象后，在第k帧图像的视场中央附近，在剩余星象中选取一颗亮星，重复步骤2.1)～步骤2.3)；直至其它天区的星象全部筛选分离完成。


4.根据权利要求1所述的利用三视场单焦面光学望远镜测定地球定向参数的方法，其特征在于，步骤(5)中瞬时自转轴的解算方法为：
随着地球的自转，在一定观测时段内，每个视场方向的瞬时光轴指向在一个平面上，该平面法向量即为该时段内平均的瞬时天极方向，利用解算平面方程的方法，计算瞬时自转轴的指向；观测方程为



其中(x,y,z)为瞬时光轴在国际天球参考系[GCRS]中的指向，解算结果为3个平面共同的法向量(A,B,1)，它对应一定时段内的瞬时自转轴在[GCRS]中的方向。


5....

【专利技术属性】
技术研发人员：于涌，齐朝祥，赵铭，唐正宏，黄乘利，孙立早，孙中苗，曾安敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海天文台，
类型：发明
国别省市：上海;31